（信息与通信工程专业论文）极化sar图像分类技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博十学位论文 摘要 极化s a r 是一种先进的遥感信息获取手段。与单极化s a r 相比，它通过测量 每个分辨单元在不同收发极化组合下的散射特性，更完整地记录了目标后向散射 信息，为详尽分析目标散射特性提供了良好的数据支持。极化s a r 图像分类是图 像解译的重要步骤，分类图既可作为中间结果为边缘提取、目标检测、识别等提 供辅助信息，也可作为最终结果直接输出给用户。开展极化s a r 图像分类研究对 于探索目标散射特性、提高极化s a r 系统的应用水平具有重要的理论意义和实用 价值。 论文以揭示目标散射机理和提高分类精度为主要目的，系统地研究了极化 s a r 图像分类方法。 揭示目标散射机理是极化s a r 数据分析的重要目的之一，现有这方面研究一 般只针对全极化数据。双极化是极化s a r 常用的工作模式，为研究双极化s a r 对 目标散射机理的识别性能，论文对h - a 方法进行了修正。推导了双极化h - a 平面 有效区域的边界，从理论角度研究了双极化s a r 对各向同性表面、偶极子和各向 同性二面角三种基本散射的识别能力，通过实验分析了双极化s a r 对h o a 平面有 效区域内八种基本散射机理的识别性能，并给出了h h v v 双极化h - a 平面的一种 可行划分方式。 现有极化s a r 图像分类算法大多以像素为基本分类单元。为提高分类精度， 论文从改进已有算法和引入发展于其它领域的算法两个角度，对基于像素的分类 方法进行了研究。h - a 方法是最为著名的极化s a r 图像非监督分类方法之一，但 其分类图存在地物类别模糊问题。针对该问题，通过结合c 均值算法，提出h - a c m 算法，从而将h - a 方法的散射机理分类转化为地物分类。为自动确定迭代次数， 定义了分类图像熵，以熵最大作为h - a c m 算法的迭代终止准则，并通过实验分 析了该准则的合理性。s v m 是一种较新的分类和回归算法，论文研究了它在极化 s a r 图像分类中的应用。为避免依据经验选择特征导致分类性能不稳定，提出以 支持向量个数作为评估指标的n s v f s 特征选择算法，并将其用作s v m 分类的预 处理，从而构成完整的利用s v m 进行特征选择和分类的n s s v m 算法。实验结果 表明该算法对s v m 参数的敏感性较低，具有较强的自适应性。最后，以s v m 为 分类器，定性、定量地比较了全极化、双极化和单极化s a r 的分类性能，并从目 标散射特性和分类器工作原理的角度阐明了三者性能差异的成因。 基于像素的方法能保持分类图的地物细节，但其性能易受相干斑影响。基于 区域的方法在分类过程中考虑像素空间相关性，可有效减弱相干斑的不良影响。 m r f 是一种常用的描述像素空间相关性的模型，在将m r f 引入极化s a r 图像分 第i 页 国防科学技术大学研究生院博十学位论文 类的过程中，为充分利用数据的统计先验知识和避免拆分协方差矩阵导致信息损 失，将m r f 与协方差矩阵的w i s h a r t 分布结合，提出w m i c m 算法。随后，针对 w a t e r s h e d 算法过分割时存在锯齿效应的问题，采用m r f 进行过分割，提出 m o s m l 算法。w m i c m 和m o s m l 在分类的不同阶段考虑像素的空间相关性， 前者由初始分类和i c m 调整两个步骤构成，在第二步中引入相邻像素相关性；后 者包括初始过分割和m l 分类，在构造过分割得到的大量子区域的过程中利用像 素相关性。由于利用了极化数据的统计先验知识和相邻像素的空间相关性，因此 两种算法均具有较高的分类精度，并能获得清晰平滑的分类图。 主题词：极化，合成子l 径雷达，图像分类，散射机理，极化目标分解，特征 选择，图像分割，支持向量机，马尔可夫随机场，统计分布 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t p o l a r i m e t r i cs y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ( s a r ) i sa na d v a n c e di n s t r u m e n tf o rr e m o t e s e n s i n g i to b t a i n ss c a t t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fe a c hr e s o l u t i o ne e l lu n d e rd i f f e r e n t c o m b i n a t i o n so fr e c e i v i n ga n dt r a n s m i t t i n gp o l a r i z a t i o n ，a n dr e c o r d sb a c ks c a t t e r i n g i n f o r m a t i o no ft a r g e t sm o r ec o m p l e t e l yt h a ns i n g l e p o l a r i z a t i o ns a r i ti sh e l p f u lf o r a n a l y z i n gt a r g e ts c a t t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s c l a s s i f i c a t i o no fp o l a d m e t r i cs a ri m a g e si s a l li m p o r t a n tp r o c e d u r eo fi m a g ei n t e r p r e t a t i o n t h ec l a s s i f i c a t i o nm a pc a nb eu s e da s t h em i d d l er e s u l tf o re d g ee x t r a c t i o n ，t a r g e td e t e c t i o na n dr e c o g n i t i o n ，e t c ，a n da l s oa s t h ef i n a lr e s u l to u t p u td i r e c t l yt ou s e r s i n v e s t i g a t i o no fc l a s s i f i c a t i o no fp o l a r i m e t r i c s a ri m a g e si so fm u c ht h e o r e t i c a la n da p p l i c a b l es i g n i f i c a n c ei nt h ee x p l o i t a t i o no f t a r g e ts c a t t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，a sw e l la st h ei m p r o v e m e n to ft h ea p p l i c a t i o ne f f i c i e n c y o fp o l a r i m e t r i cs a r s y s t e m s t or e v e a lt a r g e ts c a t t e r i n gm e c h a n i s m sa n di m p r o v i n gc l a s s i f i c a t i o na c c u r a c y ， c l a s s i f i c a t i o nm e t h o d so fp o l a r i m e t r i cs a r i m a g e sa r ei n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s i t i s v e r yi m p o r t a n tt o r e v e a l t a r g e ts c a t t e r i n g m e c h a n i s m si n a n a l y s i s o f p o l a r i m e t r i cs a rd a t a ，n e v e r t h e l e s si ti sd o n eg e n e r a l l yf o rf u l l yp o l a r i m e t r i cd a t a d u a l p o l a r i z a t i o ni saf r e q u e n t l yu s e do p e r a t i o n a lm o d eo fp o l a r i m e t r i cs a rs y s t e m s i n o r d e rt o i n v e s t i g a t ep e r f o r m a n c e o f s c a t t e r i n g m e c h a n i s mi d e n t i f i c a t i o no f d u a l - p o l a r i z a t i o ns a r s ，h - ad e c o m p o s i t i o ni sm o d i f i e d t h eb o u n d a r yo ft h ef e a s i b l e r e g i o n i nh - a p l a n e f o r d u a l - p o l a r i z a t i o n c a s e si sd e r i v e d p e r f o r m a n c eo f d u a l p o l a r i z a t i o ns a r st od i s t i n g u i s ht h r e e b a s i cs c a t t e r i n gm e c h a n i s m sf r o m a n i s o t r o p i cs u r f a c e ，ad i p o l e ，a n da ni s o t r o p i c d i h e d r a li ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l y p e r f o r m a n c eo fd u a l p o l a r i z a t i o ns a r st o i d e n t i f yt h ee i g h ts c a t t e r i n gm e c h a n i s m s i n s i d et h ef e a s i b l er e g i o ni n - - ap l a n ei sa n a l y z e d ，a n daf e a s i b l ed i v i s i o no fh - ap l a n e f o rh h v vd u a l p o l a r i z a t i o ns a ri so b t a i n e di na ne x p e r i m e n t a lm a n n e r i n d i v i d u a lp i x e l sa r et a k e na se l e m e n t si nm o s tc l a s s i f i c a t i o nm e t h o d sf o r p o l a r i m e t r i cs a ri m a g e ss of a r i no r d e rt oi m p r o v ec l a s s i f i c a t i o na c c u r a c y ，p i x e l b a s e d c l a s s i f i c a t i o nm e t h o d sa r e i n v e s t i g a t e db yi m p r o v i n ga ne x i s t i n g m e t h o da n d i n t r o d u c i n ga na l g o r i t h md e v e l o p e di no t h e rf i e l d s h - ad e c o m p o s i t i o ni so n eo ft h e m o s tf a m o u su n s u p e r v i s e dm e t h o d sf o rc l a s s i f y i n gp o l a r i m e t r i cs a ri m a g e s h o w e v e r ， t e r r a i nc l a s s e sa r ec o n f u s e di nt h ec l a s s i f i c a t i o nm a po fh - ad e c o m p o s i t i o n t h e r e f o r e t h eh - a c mi sp r o p o s e db yi n t e g r a t i n gt h ec - m e a na l g o r i t h m ，t h u sc l a s s i f i c a t i o no f s c a t t e r i n gm e c h a n i s m si st r a n s f o r m e di n t ot e r r a i nc l a s s i f i c a t i o n i nt h i sa l g o r i t h m ，t o d e t e r m i n et h en u m b e ro fi t e r a t i o na u t o m a t i c a l l y ，t h ee n t r o p yo fac l a s s i f i c a t i o nm a pi s d e f i n e d ，a n dm a x i m i z i n gt h ee n t r o p yi st a k e na st h et e r m i n a t i o nc r i t e r i o n ，w h i c hi s d e m o n s t r a t e dt ob er e a s o n a b l eb ye x p e r i m e n t a lr e s u l t s s v mi san e wa l g o r i t h mf o r c l a s s i f i c a t i o na n dr e g r e s s i o n i ti su s e di nc l a s s i f i c a t i o no fp o l a r i m e t r i cs a r i m a g e s 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 h e r e i n t oa v o i di n s t a b i l i t yo fc l a s s i f i c a t i o np e r f c i r n l a n c ei n d u c e db ys e l e c t i n gf e a t u r e s u s i n ge x p e r i e n c e ，t h en s v f si sp r o p o s e df o rf e a t u r es e l e c t i o n ，i nw h i c ht h en u m b e ro f s u p p o r tv e c t o r si st a k e n a st h ee s t i m a t i o ni n d e x t h e ni ti su s e da sap r e p r o c e s ss t e pi n s v mc l a s s i f i c a t i o n ，t h u st h en s s v mi sc o n s t r u c t e dt os e l e c tf e a t u r e sa n dc l a s s i f y i m a g e su s i n gs v m i ti sd e m o n s t r a t e db ye x p e r i m e n t st h a tt h i sa l g o r i t h mi sn o tv e r y s e n s i t i v et os v mp a r a m e t e r s ，a n dh a sb e r e rs e l f - a d a p t a b i l i t y f i n a l l y ，c l a s s i f i c a t i o n p e r f o r m a n c eo ff u l lp o l a r i z a t i o nv e r s u sd u a la n ds i n g l ep o l a r i z a t i o ni sc o m p a r e d q u a l i t a t i v e l ya n dq u a n t i t a t i v e l yu s i n gs v m c a u s e sr e s u l t i n gi np e r f o r m a n c ed i f f e r e n c e a r ei l l u m i n a t e db yt a r g e ts c a t t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n do p e r a t i o n a lm e c h a n i s mo ft h e c l a s s i f i e r t e r r a i nd e t a i l sc a nb ep r e s e r v e di nc l a s s i f i c a t i o nm a p so b t a i n e db yp i x e l - b a s e d m e t h o d s b u tp e r f o r m a n c eo ft h e s em e t h o d si sa f f e c t e db yt h es p e c k l e i ti sd i f f e r e n tf o r r e g i o n b a s e dm e t h o d s t h es p a t i a lr e l a t i o no fn e i g h b o r i n gp i x e l si sc o n s i d e r e di nt h e s e m e t h o d s ，t h u ss p e c k l ee f f e c ti sr e d u c e de f f e c t i v e l y m r fi saf r e q u e n t l yu s e dm o d e lf o r d e s c r i b i n gt h es p a t i a lc o r r e l a t i o nb e t w e e na d j a c e n tp i x e l s w h i l ei n t r o d u c i n gm r fi n t o c l a s s i f i c a t i o no fp o l a r i m e t r i cs a ri m a g e s ，i no r d e rt ou s ec o m p l e t e l yt h es t a t i s t i c a la p r i o r ik n o w l e d g eo ft h ed a t aa n da v o i di n f o r m a t i o nl o s si n d u c e db ys e p a r a t i n gt h e c o v a r i a n c em a t r i x ，t h ew m i c mi s p r o p o s e db yi n t e g r a t i n gm r fa n dw i s h a r t d i s t r i b u t i o no ft h ec o v a r i a n c em a t r i x t h e n ，a i m i n ga tt h es a w t o o t he f f e c to ft h e w a t e r s h e da l g o r i t h mi no v e r - s e g m e n t a t i o n ，t h em o s - m li sp r o p o s e du s i n gm r ff o r o v e r - s e g m e n t a t i o n t h es p a t i a lr e l a t i o no fn e i g h b o r i n gp i x e l si sc o n s i d e r e di nd i f f e r e n t p h a s eo ft h et w oa l g o r i t h m s i ti si n t r o d u c e di nt h es e c o n ds t e po ft h ew m i c m ，w h i c h c o n t a i n si n i t i a lc l a s s i f i c a t i o na n di c ma d j u s t m e n t ，w h i l ei n t r o d u c e di nt h ef i r s ts t e po f t h em o s - m l ，c o n t a i n i n gi n i t i a lo v e r - s e g m e n t a t i o na n dm lc l a s s i f i c a t i o n c l e a ra n d s m o o t hc l a s s i f i c a t i o nm a p sa n dh i g ha c c u r a c ya r eo b s e r v e du s i n gt h et w oa l g o r i t h m s ， d u et of u l lc o n s i d e r a t i o no ft h es t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i co fp o l a r i m e t r i cd a t aa n dt h e s p a t i a lr e l a t i o nb e t w e e na d j a c e n tp i x e l s k e yw o r d s ：p o l a r i m e t r y ，s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ( s a r ) ，i m a g e c l a s s i f i c a t i o n ，s c a t t e r i n gm e c h a n i s m ，p o l a r i m e t r i ct a r g e td e c o m p o s i t i o n ， f e a t u r es e l e c t i o n ，i m a g es e g m e n t a t i o n ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ( s v m ) ， m a r k o vr a n d o mf i e l d ( m r f ) ，s t a t i s t i c a ld i s t r i b u t i o n 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表1 1现有主要机载和星载极化s a r 系统4 表3 。l极化熵簿的取值范圈及其物理意义5 l 表3 2 角度a 的取值范围及其物理意义5 l 表4 1不同参数时n s v f s 算法和r e l i e f 。f 算法的结果特征集中特征个数比较 1 0 3 表4 2c = l ，1 0 ，1 0 2 , 1 0 3 , 1 0 4 时，n s v f s 与r e l i e f f 的结果特征集中选中和未选中 特征列表1 0 4 表4 3 荷兰f l e v o l a n d 数据平均分类精度比较( ) ：全极化、双极化与单极化 1 0 8 表4 4 荷兰f l e v o l a n d 数据最佳分类精度比较( ) ：全极化、双极化与单极化 1 ( ) 8 表5 ，l两种不溺迭代终止准则时w m i c m 算法和其它算法对荷兰f l e v o l a n d 全极 化数据的分类精度( ) 1 2 8 表5 2m o s m l 算法和其它两种算法对荷兰f l e v o l a n d 全极化数据的分类精度 ( ) 1 3 7 第v 页 国防科学技术大学研究生院| 孛士学位论文 图目录 图1 1a d t s 全极化数据功率图和分类图( 1 2 8 1 2 8 像素) 7 图1 22 0 0 1 - - 2 0 0 7 年s c i 检索的极化s a r 图像分类文章国家和年度分布图8 图1 3极化s a r 图像分类方法归类9 图1 4 现有主要极化目标分解方法1 6 图1 5论文研究框架21 图2 1极化椭圆示意图2 6 图2 2p o i n c a r e 极化球示意图2 8 图2 3l 波段旧金山4 视全极化数据功率图( 9 0 0 x 1 0 2 4 像素) 3 4 图2 4 表面散射模型3 6 图2 5表面散射极化特征图3 6 图2 6 漫散射模型。3 7 图2 7 漫散射极化特征图一3 7 图2 8二面角散射模型3 8 图2 9 二面角散射极化特征图3 8 图2 1 0 体散射模型3 9 图2 1 1体散射极化特征图4 0 图2 1 2国内某地区h h h v 双极化数据功率图( h h ，5 0 0 x 4 0 0 像素) 4 l 图2 1 3单极化s a r 图像均匀区域实部和虚部数据统计直方图4 1 图2 1 4 单极化s a r 图像均匀区域相位数据统计直方图4 2 图2 1 5单极化s a r 图像均匀区域幅度数据统计直方图4 2 图2 1 6 单极化s a r 图像均匀区域功率数据统计直方图4 3 图3 1全极化h - a 平面的划分及各区域物理意义5 2 图3 2 双极化h - a 平面有效区域边界。5 6 图3 3滤波矩形窗尺寸对全极化s a r 数据h - a 分布的影响5 8 图3 4旧金山数据h h v v 双极化h - a 分布图6 0 图3 5旧金山数据h h h v 双极化h - a 分布图6 2 图3 6旧金山数据h v v v 双极化h - a 分布图6 4 图3 7h h v v 双极化h - a 平面的划分及各区域物理意义6 5 图3 8旧金山数据分类图( 9 0 0 1 0 2 4 像素，八类) 和h - a 分布图6 6 图3 9l 波段德国o b e r p f a f f e n h o f e n 单视全极化数据功率图与h - a 分布图 ( 1 4 0 8 1 5 4 0 像素) 6 7 图3 10德国o b e r p f a f f e n h o f e n 数据h h v v 双极化h - a 分布图6 9 第v i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图3 。l1 德国o b e r p f a f f e n h o f e n 数据h h h v 双极化h - a 分靠图7 0 图3 1 2德国o b e r p f a f f e n h o f e n 数据h v v v 双极化h - a 分布图7 2 图3 ，1 3 德国o b e r p f a f f e n h o f e n 数据分类图( 1 4 0 8 1 5 4 0 像素，八类) 和h - a 分布 图7 ：； 图4 1分类图像熵随迭代次数变化的曲线。7 8 图4 2h - a c m 算法流程图7 8 图4 3l 波段旧金由4 褫全极化数据( 6 0 0 x 5 0 0 像素) 7 9 图4 4l 目金山全极化数据h - a 平面分布图8 0 图4 5旧金山全极化数据的和仅图像8 0 图4 6l 鲻金出全极化数据h - a 方法分类图( 6 0 0 x 5 0 0 像素，类) 和h - a 分布图 。+ 。，。 ；l 图4 7旧金山全极化数据h - a c m 算法分类图( 6 0 0 x 5 0 0 像素，八类) 和h - a 分 布图。8 3 圈4 8 最优分类超平面和支持向量( 加耀熊“ 和“o 为支持商量) 8 5 图4 9s v m 示意图8 6 图4 。l o 基于s v m 的全极化s a r 图像分类流程图8 7 图4 11 罄金出全极纯数据训练数据选取( 6 0 0 x 5 0 0 像素，三类) 8 9 图4 1 2 不同和c 时s v m 对旧金山全极化数据的分类图( 6 0 0 x 5 0 0 像素，三类) 9 ( ) 圈4 1 3 基于w i s h a r t 分布的m l 对l 薯金出全极纯数据的分类圈( 6 0 0 5 0 0 像素， 三型愍) 。9l 图4 1 4旧金山全极化数据训练数据选取( 6 0 0 x 5 0 0 像素，四类) 9 2 图4 1 5 不同和c 时s v m 对f 日金由全极化数据的分类豳( 6 0 0 x 5 0 0 像素，四类) 5 3 图4 1 6 基于w i s h a r t 分布的m l 对旧金山全极化数据的分类图( 6 0 0 x 5 0 0 像素， 芝譬乡蹙) 9 4 圈4 。1 7 样本可分性与支持向量个数关系示意图( 加粗的“ 和“o ”为支持向 量) 9 6 图4 18n s v f s 算法流程图9 8 图4 19n s s v m 算法流程图9 9 图4 。2 0l 波段荷兰f l e v o l a n d4 视全极化数据( 4 0 0 x 3 0 0 像素，八类) 1 0 0 图4 2 1不同特征个数时分类精度与支持向量个数的关系1 0 1 图4 2 2 不同参数时n s s v m 算法和其它算法的分类精度1 0 3 图4 2 3基于s v m 的s a r 图像分类流程图。1 0 6 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 2 4l 波段荷兰f l e v o l a n d4 视全极化数据( 5 0 0 x 6 0 0 像素，九类) 1 0 7 图4 2 5国内某地区双极化数据( 5 0 0 4 0 0 像素，四类) 1 1 0 图4 2 6国内某地区数据分类图比较：h h h v 、h h 与h v 1 1 2 图4 2 7国内某地区数据h h 和h v 功率直方图分析1 1 3 图5 1二维网格及其一、二阶邻域1 1 8 图5 2 一、二阶邻域系及其子团1 1 9 图5 3w m i c m 算法流程图12 3 图5 4l 波段荷兰f l e v o l a n d4 视全极化数据( 4 0 0 3 0 0 像素，八类) 1 2 5 图5 5两种不同迭代终止准则时w m i c m 算法和其它算法对荷兰f l e v o l a n d 全极 化数据的分类图( 4 0 0 x 3 0 0 像素，八类) 1 2 7 图5 6l 波段旧金山4 视全极化数据( 6 0 0 5 0 0 像素，四类) 。1 2 9 图5 7w m i c m 算法和其它算法对旧金山全极化数据的分类图( 6 0 0 x 5 0 0 像素， 四类) 。1 3 0 图5 8m o s m l 算法流程图13 5 图5 9m o s m l 算法和其它两种算法对荷兰f l e v o l a n d 全极化数据的分类图 ( 4 0 0 x 3 0 0 像素，八类) l3 7 图5 1 0国内某地区双极化数据( 4 0 0 3 0 0 像素，四类) 1 3 9 图5 1 1m o s m l 算法和其它两种算法对国内双极化数据的分类图( 4 0 0 x 3 0 0 像 素，四类) 13 9 第v i i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：拯丝墨垦图逸金娄技盎堡壅 学位论文作者签名：墨垂盔 日期：2 0 0 7 年1 0 月8 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国防 科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许 论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名：墨垂盔日期：2 0 0 7 年1 0 月8 日 作者指导教师签名：日期：2 0 0 7 年10 月8 日 国防科学技术大学研究生院博士学伊论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 合成孔径雷达( s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ，s a r ) 是一种主动式高分辨微波遥感 器，其研究始于2 0 世纪5 0 年代初。1 9 5 1 年，w i l e y 提出利用多普勒信息提高雷 达方位分辨率，即“多普勒波束锐化”的思想，标志着合成孔径原始概念的产生i l j 。 1 9 5 3 年，美国亚利桑那州g o o d y e a r 研究室根据多普勒波束锐化思想建造出第一个 机载s a r 系统。1 9 5 7 年8 月，美国m i c h i g a n 大学用光学处理方法得到了第一幅 s a r 图像【2 】，表明s a r 技术初步达到实用水平。与光学和红外传感器相比，s a r 具有全天时、全天候工作能力。由于微波对地物具有一定的穿透能力，因此s a r 可用于探测隐蔽在树林、草丛中的目标。与实孔径雷达相比，s a r 具有更高的方 位分辨率，且分辨率与距离无关。同时，由于s a r 的信噪比与距离的3 次方成反 比【3 1 ，而普通实孔径雷达的信噪比与距离的4 次方成反比，因此在同等条件下，s a r 数据具有更高的信噪比。s a r 的这些优点使其得到了广泛应用。在军用方面，s a r 可用于机场、道路、桥梁、油库、飞机、车辆等战略战术目标的探测、识别和打 击效果评估；在民用方面，s a r 可用于农作物生长监测、森林状态监控、海冰分 布监测、地形测绘、矿产勘探、灾害控制等【lj 。经过几十年的积累，s a r 得到了 长足的发展：数据记录和信号处理由光学方法发展为数字方法，搭载平台由飞机 发展为卫星，工作模式由单频、单极化、固定视角发展为多频、多极化、可变视 角，分辨率由米量级提高到厘米量级，成像维数由二维发展到三维。 极化s a r 正是在这种背景下发展起来的一种相干多通道微波成像系统，它是 s a r 的一个重要分支。“相干 指的是各极化通道的发射信号具有恒定的相位关 系，这一点使它与其它非相干多通道系统( 如多频s a r 系统) 区别开来。众所周 知，电磁波是矢量波，除频率、相位和幅度外，还需要确定矢量方向才能完整地 进行描述。“极化”正是用来描述电磁波电场矢量的矢端振动方式的，是电磁波 的固有属性之一。确定了电磁波的极化方式，就能够确定电磁波矢量的方向。一 般而言，物体会对入射电磁波的极化进行调制，产生变极化效应，使得散射波的 极化状态不同于入射波 4 1 。传统的单极化s a r 使用固定极化天线，只能接收散射 回波与天线极化方向一致的分量，散射回波与天线极化方向垂直的分量则完全丢 失。为保留完整的地物散射信息，需要采用一组极化方向正交的天线进行测量， 以这种方式工作的s a r 称为极化s a r 。 极化s a r 测量得到每个分辨单元在不同极化组合下的散射特性，比单极化 s a r 更完整地记录了目标的后向散射信息。在给定频率下，全极化s a r 能完整地 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 测量目标散射特性，而双极化s a r 测量得至0 的目标散射信息也比单极化丰富。由 于电磁波极化对目标的材料属性、物理结构、几何形状等比较敏感，因此极化测 量能获得更多的目标信息【4 】。这不但增强了雷达获取目标信息的能力，而且为详尽 完整地分析目标特性提供了有力的支持。 虽然人们自1 9 世纪中期就开始极化理论的研究，但直到2 0 世纪4 0 年代木才 将极化理论应用于雷达，历经2 0 余年才建立起经典的雷达极化理论体系【5 ，6 1 。1 9 5 0 年，s i n c l a i r 在研究椭圆极化波发射与接收时，提出了极化散射矩阵的概念1 7 j ，将 目标在特定姿态和特定频率电磁波照射下的极化散射特性用一个2 2 的复矩阵表 示。散射矩阵是用来表示一个雷达目标或一个目标群极化特性的一种简便的方法。 给定矩阵内所有元素的相位和幅度，仅用散射矩阵就能将目标的电磁散射现象完 全描述清楚。1 9 5 2 年，k e n n a u g h 提出了最优极化的概念惜j ，描述了目标的四个最 优极化两个相同极化零点( 零极化) 和两个交叉极化零点( 本征极化) 。可 以证明，对任何有确定散射矩阵的目标，最优极化是唯一的。h u y n e n 对目标散射 矩阵测量进行了深入的研列9 1 。1 9 7 0 年，他在博士学位论文中提出雷达目标现象 学理论【i o 】，利用散射矩阵所包含的信息对一般目标的极化散射特性进行了详细的 分析，进一步发展了最优极化概念。他给出了四个最优极化的现象学参数表示， 并利用p o i n c a r e 极化球和极化的s t o k e s 矢量表示法导出了h u y